专利名称：超声阵列声头及其制备方法
超声阵列声头及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种超声阵列声头及其制备方法。背景技术：
因为医疗用超声阵列探头的关键材料为压电材料。压电材料在工作时存在声、电转化不完全的情况，所以会有很大一部分能量被转变成为热能。热能如果不尽快地、有效地被散掉将会产生几个不利的结果一方面引起探头声透镜的表面温度升高，让患者感到不舒服甚至烫伤，另一方面，会引起内部温度急剧上升，轻则造成匹配层与背衬块变形，重则造成匹配层与压电材料间，背衬块与压电材料间脱胶，而使探头性能下降，寿命缩短。医疗超声线阵和凸阵列超声探头阵元同一时间只是部分阵元参与工作，它们的发热现象还不明显。然而，相控阵超声探头和声辐射力超声阵列探头的每个阵元都要长时间地同时参与发射与接收。因此它们在工作时发热非常严重。因此超声探头的生产厂家纷纷开发出各种超声阵列声头为的是把热能散发掉，以保证探头表面温度在使用过程中不超过43°C，延长声头使用寿命。传统的超声阵列声头的结构包括设于压电材料之上的背衬块和散热块。散热块是金属材料制成的，其具有良好导热性。然而，背衬块本身不是导热材料，因而影响热量的传导速度和效率。另外，如果背衬块与散热块之间只是单纯的接触的话，则将会有空气存在与二者之间，二空气是热的不良导体，这也会影响背衬块和散热块之间热能的传导效率。
发明内容基于此，有必要提供一种散热效率较高的超声阵列声头及其制备方法。一种超声阵列声头，包括压电片；散热器，所述散热器包括基体，所述基体的一端设有散热片，所述基体的另一端设有与所述压电片相邻的传热片；及背衬块，所述背衬块设于所述压电片和所述传热片之间，且所述传热片插入到所述背衬块的内部，所述背衬块由绝缘导热材料制成。在优选的实施例中，所述背衬块包括环氧树脂和均勻分散于所述环氧树脂中的非金属粉末填料。在优选的实施例中，所述非金属粉末填料占环氧树脂和非金属粉末填料的混合物的质量百分比为40% 80%。在优选的实施例中，所述非金属粉末填料为氧化铝粉、氮化铝粉、氧化铍粉、氮化硼粉、碳化硅粉、氧化镁粉、氧化锌粉、结晶型二氧化硅粉中的至少一种。在优选的实施例中，所述散热片是栅格形状。在优选的实施例中，所述传热片的数量为二，所述二传热片相互平行。在优选的实施例中，所述传热片末端与所述压电片的距离大于3mm小于10mm。
一种超声阵列声头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤提供夹具，所述夹具包括底板、前挡板、后挡板、左挡板及右挡板，所述底板、前挡板、后挡板、左挡板及右挡板环绕形成一个收容腔；将所述压电片放置在所述收容腔内的底板上；将所述散热器固定在所述夹具上，并使所述传热片跟所述压电片相邻；将背衬材料浇入所述收容腔中，并使所述背衬材料包裹所述传热片，固化所述背衬材料形成所述背衬块；及拆卸所述夹具，得到所述超声阵列声头。在优选的实施例中，所述背衬材料由环氧树脂和非金属粉末填料均勻混合形成。在优选的实施例中，所述非金属粉末填料占所述背衬材料的质量百分比为40% 80%。在优选的实施例中，所述非金属粉末填料为氧化铝粉、氮化铝粉、氧化铍粉、氮化硼粉、碳化硅粉、氧化镁粉、氧化锌粉、结晶型二氧化硅粉中的至少一种。在优选的实施例中，所述背衬材料的制备方法包括如下步骤按照非金属粉末填料占环氧树脂和非金属粉末填料的混合物的质量百分比为 40% 80%的比例称取环氧树脂和非金属粉末填料；将所述非金属粉末填料加入到上述环氧树脂中，充分搅拌混合，使所述非金属粉末填料均勻分散于所述环氧树脂中；将上述混合物倒入容器中，在放入真空箱中抽真空。在优选的实施例中，将所述压电片通过蜡粘贴在所述收容腔内的底板上。上述超声阵列声头具有由绝缘导热材料制成的背衬块，因而它比一般不具导热功能的背衬材料的导热能力更为显著。另外，上述位于散热器一端的传热片深入到背衬块的内部，可以把声头中内部的热能直接传递到散热器的散热片上散掉。因而，此发明能有效地解决现有技术中散热效率不高，散热速度不够快的问题。
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。图1为一实施方式的超声阵列声头的立体示意图；图2为图1中散热器的立体示意图；图3为一实施方式的压电片和底板的立体示意图；图4为一实施方式的夹具和散热器的组装时的示意图；图5为一实施方式的夹具和散热器的组装后示意图；图6为一实施方式的夹具和散热器的组装后倒入背衬材料时的示意图。
具体实施方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。请参阅图1，一实施方式的超声阵列声头100包括散热器10、压电片及背衬块30。请一并参阅图2，散热器10由金属材料制成，其包括基体11、散热片13和传热片 15。基体11大致为方形块，栅格形状的散热片13设于基体11的一端；两片传热片15 相互平行地设置于基体11的另一端。基体11靠近传热片15的位置还向外垂直延伸形成四个定位片111。散热片13呈栅格形状。栅格的布局可以是一排多列，可以是一列多排，也可以是多排多列。栅格的布局与声头手柄外壳的腔体尺寸相适配。栅格间的开槽宽度可以相等也可以不等，开槽深度可以相等也可以不等。传热片15可为一片或两片。传热片15的长度尺寸大于超声声头有效阵元的最大尺寸，要小于背衬夹具内腔的长度尺寸。传热片15的厚度不大于有效阵元中最小尺寸的十分之一，以免影响声头的声学性能。请一并参阅图3，压电片20大致为方形片，其由压电材料制成。压电片20与传热片15的末端的距离大于3mm且小于10mm。如果小于3mm，可能会存在电气安全隐患。因为超声探头的电极间加的电压峰峰值会达到200伏，而阵元表面一般为导电电极，导热片是由金属铝制成的也是导电的，为了防止电压击穿，要大于3mm。图1中的背衬块30设于压电片20和传热片15之间，且两片传热片15插入到背衬块30的内部。背衬块30的纵截面大致呈梯形。背衬块30由绝缘导热材料制成。本实施例中，背衬块30包括环氧树脂和均勻分散于环氧树脂中的非金属粉末填料。环氧树脂能够起到绝缘的作用，非金属粉末填料主要起到导热的作用。所述非金属粉末填料为氧化铝粉、氮化铝粉、氧化铍粉、氮化硼粉、碳化硅粉、氧化镁粉、氧化锌粉、结晶型二氧化硅粉中的至少一种。背衬块30的配方选择原则如下在流动性允许的情况下，非金属粉末填料所占的比例应尽可能的大，使导热粒子互相接触而形成导热链。如果加入的非金属粉末填料的量太少，而非金属粉末填料均勻地分布在环氧树脂里彼此不接触。就很难形成导热链而起不了增加导热的功效。当不断地加入粉末填料到某一个值时，填料之间相互作用，在体系中形成链状和网状形态，当这些导热网链的取向方向与热流方向平行时就大大提高体系的导热性能。所以，在流动性允许的情况下，尽可能地增加非金属粉末填料的比例以形成导热链， 进而增加体系的导热效果。优选的，非金属粉末填料占环氧树脂和非金属粉末填料的混合物的质量百分比为 40% 80%。上述超声阵列声头100具有由绝缘导热材料制成的背衬块30，因而它比一般不具导热功能的背衬材料的导热能力更为显著。另外，上述位于散热器10—端的传热片15深入到背衬块30的内部，可以把声头中内部的热能直接传递到散热器10的散热片13上散掉。 而本发明提出的栅格状散热片13比一般的散热器的散热面积会更大。因而，此发明能有效地解决现有技术中散热效率不高，散热速度不够快的问题。本申请还提供一实施方式的超声阵列声头100的制备方法，包括如下步骤。步骤S101、提供一个专用的夹具200。请参阅图4，夹具200包括底板201、前挡板202、后挡板203、左挡板204及右挡板 205。底板201、前挡板202、后挡板203、左挡板204及右挡板205环绕形成一个收容腔206。请再次参阅图3，底板201大致为方形，其表面设有一个方形的固定块211。固定块211的大小与压电片20相同。前挡板202、后挡板203、左挡板204及右挡板205四个挡板均通过螺钉(未标示) 固定在底板201上。左挡板204和右挡板205还具有相对的倾斜面。夹具200还包括两个压板207。压板207的作用是可将基体11的四个定位片111 通过螺钉固定在前挡板202和后挡板203上。步骤S102、将压电片20放置在收容腔206内的底板201上。本实施方式中，可通过蜡将压电片20粘贴在底板201的固定块211上。步骤S103、将散热器10固定在夹具上，并使传热片15跟压电片20相邻。请参阅图5，本实施方式中，通过两个压板207可以将散热器10固定在前挡板202 和后挡板203上。此时，传热片15的末端与压电片20的距离大于3mm且小于10mm。步骤S104、请参阅图6，将背衬材料31浇入收容腔206中，并使背衬材料31包裹传热片15，然后固化背衬材料31形成背衬块30。其中，呈粘液态的背衬材料31由环氧树脂和非金属粉末填料以非金属粉末填料占背衬材料的质量百分比为40% 80%的比例均勻混合形成。所述非金属粉末填料为氧化铝粉、氮化铝粉、氧化铍粉、氮化硼粉、碳化硅粉、氧化镁粉、氧化锌粉、结晶型二氧化硅粉中的至少一种。具体的，背衬材料31的制备方法包括如下步骤步骤S1041、按照非金属粉末填料占环氧树脂和非金属粉末填料的混合物的质量百分比为40% 80%的比例称取环氧树脂和非金属粉末填料。步骤S1042、将所述非金属粉末填料加入到环氧树脂中，充分搅拌混合，使非金属粉末填料均勻分散于环氧树脂中。所述环氧树脂可以是单组分环氧胶，也可以是双组分环氧胶，其既可以是常温固化的，也可以是高温固化的环氧树脂。如果是双组份环氧胶，必须先混合后充分搅拌，使双组份完全均勻混合。如果非金属粉末填料是单一的话可以直接加入到上述的环氧树脂里。如果非金属粉末填料是由几种不同的材料组成，则要按配方秤出来后充分混合在一起。然后再加入到环氧树脂里，充分搅拌，使粉末填料均勻分散到环氧树脂里。步骤S1043、将上述混合物倒入容器中，在放入真空箱中抽真空。把含有环氧树脂和非金属粉末填料的均勻混合物倒进一个开口较大的干净容器内，放进真空箱里抽真空。透过真空箱的玻璃望进去可以看到混合料表面的气泡很久才冒出时，冒出的数量较少时即可认为混合物内部几近真空。
把抽完真空的环氧树脂与非金属粉末填料的混合物(即背衬材料31)缓缓地倒入夹具里，直到指定的位置。如图6所示。然后放置在常温下固化，固化时间要足够长，以使环氧树脂完全固化，形成背衬块30。固化过程中，背衬材料31能够将压电片20与传热片 15之间的间隙填满，并且能使散热器10、压电片及背衬块30形成不可分开的一体状态。步骤S105、拆卸夹具200，得到超声阵列声头100。通过旋转多个螺钉，使底板201、前挡板202、后挡板203、左挡板204及右挡板205 分离，从而得到如图1所示的超声阵列声头100。由于压电片20是通过蜡粘贴在底板201 的固定块211上的，因此可以采用加热或其他方法使压电片20与底板201分离。上述制备方法具有操作方便，成本较低等优点。可以理解，散热器10的周围还可以设有热管。热管内还可以通入循环冷却水来加强散热。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种超声阵列声头，其特征在于，包括 压电片；散热器，所述散热器包括基体，所述基体的一端设有散热片，所述基体的另一端设有与所述压电片相邻的传热片；及背衬块，所述背衬块设于所述压电片和所述传热片之间，且所述传热片插入到所述背衬块的内部，所述背衬块由绝缘导热材料制成。
2.如权利要求1所述的超声阵列声头，其特征在于所述背衬块包括环氧树脂和均勻分散于所述环氧树脂中的非金属粉末填料。
3.如权利要求2所述的超声阵列声头，其特征在于所述非金属粉末填料占环氧树脂和非金属粉末填料的混合物的质量百分比为40% 80%。
4.如权利要求2所述的超声阵列声头的制备方法，其特征在于，所述非金属粉末填料为氧化铝粉、氮化铝粉、氧化铍粉、氮化硼粉、碳化硅粉、氧化镁粉、氧化锌粉、结晶型二氧化硅粉中的至少一种。
5.如权利要求1所述的超声阵列声头，其特征在于，所述散热片是栅格形状。
6.如权利要求1所述的超声阵列声头，其特征在于，所述传热片的数量为二，所述二传热片相互平行。
7.如权利要求1所述的超声阵列声头，其特征在于，所述传热片末端与所述压电片的距离大于3mm且小于10mm。
8.—种如权利要求1所述的超声阵列声头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 提供夹具，所述夹具包括底板、前挡板、后挡板、左挡板及右挡板，所述底板、前挡板、后挡板、左挡板及右挡板环绕形成一个收容腔； 将所述压电片放置在所述收容腔内的底板上； 将所述散热器固定在所述夹具上，并使所述传热片跟所述压电片相邻； 将背衬材料浇入所述收容腔中，并使所述背衬材料包裹所述传热片，固化所述背衬材料形成所述背衬块；及拆卸所述夹具，得到所述超声阵列声头。
9.如权利要求8所述的超声阵列声头的制备方法，其特征在于所述背衬材料由环氧树脂和非金属粉末填料均勻混合形成。
10.如权利要求9所述的超声阵列声头的制备方法，其特征在于所述非金属粉末填料占所述背衬材料的质量百分比为40% 80%。
11.如权利要求9所述的超声阵列声头的制备方法，其特征在于所述非金属粉末填料为氧化铝粉、氮化铝粉、氧化铍粉、氮化硼粉、碳化硅粉、氧化镁粉、氧化锌粉、结晶型二氧化硅粉中的至少一种。
12.如权利要求8所述的超声阵列声头的制备方法，其特征在于所述背衬材料的制备方法包括如下步骤按照非金属粉末填料占环氧树脂和非金属粉末填料的混合物的质量百分比为40% 80%的比例称取环氧树脂和非金属粉末填料；将所述非金属粉末填料加入到上述环氧树脂中，充分搅拌混合，使所述非金属粉末填料均勻分散于所述环氧树脂中；将上述混合物倒入容器中，在放入真空箱中抽真空。
13.如权利要求8所述的超声阵列声头的制备方法，其特征在于将所述压电片通过蜡粘贴在所述收容腔内的底板上。
全文摘要
本发明涉及一种超声阵列声头及其制备方法。一种超声阵列声头，包括压电片；散热器，所述散热器包括基体，所述基体的一端设有散热片，所述基体的另一端设有与所述压电片相邻的传热片；及背衬块，所述背衬块设于所述压电片和所述传热片之间，且所述传热片插入到所述背衬块的内部，所述背衬块由绝缘导热材料制成。上述超声阵列声头具有散热效率较高的优点。
文档编号A61B8/00GK102283677SQ20111019400
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月12日 优先权日2011年7月12日
发明者凌涛, 曾成志, 李永川, 沈洋, 郑海荣 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院